蒸汽管接管座焊縫失效的修復(fù)技巧

張小平，丁吉偉，梁艷東

（華潤電力（常熟）有限公司，江蘇常熟 215500）

0 引言

火力發(fā)電廠存在大量輸送高溫、高壓蒸汽的中、大口徑蒸汽管道，管道上分布著數(shù)量可觀的溫度測量、壓力測量、疏放水、放空氣等裝置。每個(gè)裝置都需要在母管上預(yù)留孔，用焊接的方式將其接管座固定在母管上。管道經(jīng)過長期運(yùn)行后，由于熱膨脹、焊接缺陷、冷凝水倒灌等原因，導(dǎo)致部分接管座與母管的焊縫出現(xiàn)早期失效。這時(shí)需要挖除原來的焊縫、重新焊接。在挖除過程中，往往會(huì)造成母管上原來的管孔擴(kuò)大，甚至?xí)兊貌灰?guī)則，但溫度、壓力、疏水、放氣的接管座規(guī)格不能發(fā)生變化?；鹆Πl(fā)電廠的主管道一般都是特制產(chǎn)品，整體更換制造周期長、成本高，因此，需要一種快速、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)來修復(fù)失效的蒸汽管道管座。

著重討論蒸汽管接管座早期失效后，尤其是當(dāng)母管預(yù)留孔孔壁損壞、孔徑發(fā)生變異后，利用焊接技術(shù)快速修復(fù)失效的管座，大大縮短管道修復(fù)時(shí)間，節(jié)省修復(fù)費(fèi)用。

1 失效類型

蒸汽管與接管座常見的連接形式有2種：一是管座內(nèi)徑同母管預(yù)留孔孔徑相等、在管座側(cè)開坡口，進(jìn)行焊接，這種連接方式是《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》（DLT 869—2012）表2汽水、儀表取樣等接管座推薦的坡口形式[1]，也是近些年設(shè)計(jì)院、鍋爐廠主要采用的設(shè)計(jì)方式（圖1）；二是母管預(yù)留孔孔徑在外壁側(cè)擴(kuò)大、帶有坡口，預(yù)留孔一般為倒圓錐形，只在母管內(nèi)壁側(cè)留有一定厚度的鈍邊，這一結(jié)構(gòu)常見于施工現(xiàn)場制作的中、低壓蒸汽管道，在2000年前后鍋爐廠、設(shè)計(jì)院也會(huì)設(shè)計(jì)此種接管座。

圖1 蒸汽管與接管座2種常見的連接形式

常見的蒸汽管接管座焊縫損壞形式有3種：①接管座焊縫熔合線出現(xiàn)裂紋，未延伸到母管，在挖除過程中，只挖去了原焊縫，基本未損害母管預(yù)留孔孔徑（圖2a）；②接管座焊縫熔合線出現(xiàn)裂紋，并延伸到母管，在挖除過程中，損害了母管預(yù)留孔孔徑，母管與接管座采用第二種連接方式時(shí)，早期失效表現(xiàn)形式為這種類型的概率較大（圖2b）；③蒸汽管內(nèi)壁出現(xiàn)裂紋，并呈放射狀延伸，在挖除過程中，改變了母管預(yù)留孔孔徑，母管與接管座采用第一種連接方式，且接管座位于蒸汽管道的正上方或正下方時(shí)，早期失效表現(xiàn)形式為這種類型概率較大（圖 2c）。

圖2 蒸汽管接管座焊縫損壞常見的3種形式

2 原因分析

（1）接管座與母管采用異種鋼焊接材料。由于異種鋼焊接接頭存在材料成分、機(jī)械性能與物理性能上的差異，壽命周期大大低于同種鋼接頭，運(yùn)行一定周期后極易發(fā)生早期失效。

（2）接管與母管之間結(jié)構(gòu)不合理，膨脹受到限制，存在較大應(yīng)力集中，焊縫極易發(fā)生金屬疲勞而早期失效。另外，由于保溫不良、接管座與母管存在較大溫度差時(shí)，也同樣會(huì)導(dǎo)致金屬疲勞。

（3）蒸汽母管正上方的接管存在冷凝水倒灌，或者蒸汽母管正下方疏放水管排水不及時(shí)，母管內(nèi)壁不停地受到低溫水的沖擊和冷卻，該處溫度交變劇烈，產(chǎn)生的熱應(yīng)力較集中，導(dǎo)致母管內(nèi)壁金屬發(fā)生疲勞，從而使母管在預(yù)留孔周圍產(chǎn)生放射狀裂紋。

其中，前2種原因?qū)е碌氖问皆诤癖诠苌系谋憩F(xiàn)一般與圖2a相同，在薄壁管和韌性較差的管道上也會(huì)出現(xiàn)圖2b的失效形式。

3 修復(fù)前準(zhǔn)備

使用便攜式數(shù)字合金分析儀確認(rèn)接管座、母管以及其連接焊縫的材料，并做好記錄。選取合適的無損檢測手段找出焊縫及其周邊的失效缺陷，三者中如果存在奧氏體鋼材時(shí)，選用著色檢測，若三者均為鐵磁性材料，宜選用磁粉檢測。用手持式角磨機(jī)、電磨機(jī)、吊磨機(jī)、手電鉆等工具，將原焊縫及超標(biāo)缺陷清除。最后，利用前述的無損檢測方法確認(rèn)磨除后的部位已無缺陷，否則需重復(fù)檢測和磨削步驟。

需要指出的是，確認(rèn)原焊縫金屬是否已經(jīng)完全清除，常見的方法是采用硝酸酒精腐蝕，通過觀察金屬顏色變化來確認(rèn)：低合金鋼可用4%硝酸酒精腐蝕，高合金鋼可用10%硝酸酒精腐蝕。

4 修復(fù)方案

一般來說，修復(fù)提前失效的蒸汽管接管座時(shí)，需將異種鋼接管座更換為與蒸汽管相同材料，盡量減少異種鋼焊縫。但是，受制造時(shí)間等客觀因素制約時(shí)，也可以按原狀修復(fù)，但要作好記錄，當(dāng)條件成熟時(shí)更換為同種材料。

在焊接修復(fù)前，均要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和便于焊接施工的要求，重新修磨蒸汽管側(cè)和接管座側(cè)的坡口，坡口修磨好后，按照《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》《火力發(fā)電廠焊接熱處理技術(shù)規(guī)程》（DLT 819—2010）[2]的規(guī)定選用合適的焊接、熱處理工藝。焊接熱處理結(jié)束后，按照修復(fù)前準(zhǔn)備的要求，選擇恰當(dāng)?shù)臒o損檢測手段檢測合格。下面對(duì)如何修磨坡口以及管座與母管如何組對(duì)進(jìn)行詳細(xì)說明。

（1）在缺陷挖除過程中，只挖去了原焊縫，基本未損害母管預(yù)留孔孔徑時(shí)，只需將坡口清理干凈，然后在管座與蒸汽管之間留焊絲直徑大小的空隙，采用單面焊接雙面成形的方式重新焊接。

（2）在缺陷挖除過程中，損害了母管預(yù)留孔外側(cè)孔壁或者輕微損壞了預(yù)留孔內(nèi)側(cè)孔壁時(shí)，先用堆焊的方式將損壞的孔壁修復(fù)（圖3），然后按照（1）描述的方法進(jìn)行組對(duì)，重新焊接管座。

（3）管座形式為母管預(yù)留孔孔徑在外壁側(cè)時(shí)，在挖除缺陷過程中，嚴(yán)重?fù)p害了預(yù)留孔內(nèi)側(cè)孔壁，但最大直徑不超過《水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》（GBT 9222—2008）中圖18、圖19確定的[d]值，無法在蒸汽管側(cè)進(jìn)行堆焊修復(fù)，但可在管座側(cè)進(jìn)行堆焊修復(fù)時(shí)：首先測量損壞的蒸汽管預(yù)留孔破壞后的孔徑，畫出形貌圖，然后根據(jù)本節(jié)描述的方法選取合適的焊接工藝，用堆焊的形式在插入式管座上進(jìn)行堆焊，堆焊層的厚度以（3～4）mm為宜，形狀接近于損壞后的蒸汽管預(yù)留孔徑最下層形貌。堆焊完成后的管座狀如陀螺如圖4所示，然后經(jīng)過精細(xì)修磨，使堆焊后的裙邊同最下層預(yù)留孔損壞的孔壁形貌之間有（1～3）mm的縫隙，隨后采用單面焊接、雙面成形的辦法，焊接修復(fù)。需要注意的是，帶有堆焊裙邊的管座與蒸汽管組對(duì)時(shí)，裙邊要同蒸汽管內(nèi)壁基本等平面，其打底焊縫不允許存在未焊透、未熔合現(xiàn)象。在這個(gè)修復(fù)過程中，確保修復(fù)后蒸汽管內(nèi)壁的形貌基本等同于原設(shè)計(jì)，只是用堆焊層代替了被挖掉的母材。

圖3 修復(fù)前后的蒸汽管預(yù)留孔

（4）失效的形式為圖2c描述的情況，在缺陷挖除過程中，嚴(yán)重?fù)p害了母管預(yù)留孔內(nèi)側(cè)孔壁，但最大直徑不超過《水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》中圖18、圖19[3]確定的[d]值時(shí)，無法在蒸汽管側(cè)進(jìn)行堆焊修復(fù)，也無法在管座側(cè)進(jìn)行堆焊修復(fù)：可先用磁座鉆將損壞的預(yù)留孔擴(kuò)孔，使孔壁光滑，且成圓柱形，然后根據(jù)《水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》中第12章異形元件的計(jì)算方式，計(jì)算出合適的大小頭加工圖紙，如果可以取消該處管座的功能時(shí)，根據(jù)《水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》中第9章凸形封頭的計(jì)算方式，計(jì)算出合適的封頭加工圖紙，然后按照本節(jié)（1）描述的方法進(jìn)行組對(duì)，重新焊接管座。

（5）在缺陷挖除過程中，嚴(yán)重?fù)p害了母管預(yù)留孔內(nèi)側(cè)孔壁，最大直徑超過了《水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》中圖18、圖19確定的[d]值時(shí)，則無修理價(jià)值，建議報(bào)廢。

圖4 堆焊完成后的管座

5 結(jié)論

（1）絕大部分蒸汽管與接管座之間的焊縫出現(xiàn)早期失效后，可以通過焊接的方式快速修復(fù)，不需要重新更換成品蒸汽管件。

（2）堆焊修復(fù)時(shí)，不僅僅在母管側(cè)堆焊，還可以在接管座側(cè)進(jìn)行堆焊。

（3）蒸汽管預(yù)留孔破壞后，既可以用堆焊接術(shù)修復(fù)，也可以擴(kuò)孔，選用合適的異型管組對(duì)快速修復(fù)。

（4）蒸汽管與接管座設(shè)計(jì)時(shí)，需要注重預(yù)防因結(jié)構(gòu)受限、保溫不良、異種鋼接頭等因素造成的早期失效。